一种薄膜制备方法

技术领域

本申请涉及半导体器件及其制造领域，特别涉及一种薄膜制备方法。

背景技术

目前，可以利用双腔等离子体处理装置进行薄膜制备，具体的，可以同时向两个腔体内通入工艺气体和惰性气体，同时控制射频功率产生等离子体，以同时进行两个腔体中的薄膜制备，在进行半导体器件的批量生产过程中，这极大的提高了制造效率。

然而，这种薄膜制备方法中，极容易导致两个腔体中制备的薄膜厚度不一致，使得批量生产的晶圆间的薄膜厚度不同，影响器件质量。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种薄膜制备方法，以实现采用双腔式等离子体镀膜装置同时减小多个晶圆表面沉积的薄膜间的厚度差异性，提高了批量制备的薄膜的质量。

为实现上述目的，本申请有如下技术方案：

本申请实施例提供了一种薄膜制备方法，其包括：

向第一反应腔和第二反应腔通入第一工艺气体和第一惰性气体；所述第一反应腔中放置有第一晶圆，所述第二反应腔中放置有第二晶圆；

对所述第一反应腔和所述第二反应腔中的气体进行射频处理，以在所述第一晶圆和所述第二晶圆表面进行第一镀膜操作；

停止向所述第一反应腔和所述第二反应腔通入第一工艺气体，以在所述第一晶圆和所述第二晶圆表面进行第二镀膜操作。

可选地，所述第一惰性气体为He，所述第二镀膜操作过程中所述第一惰性气体的流量大于所述第一镀膜操作过程中所述第一惰性气体的流量。

可选地，所述第二镀膜操作过程中所述第一惰性气体的流量超过所述第一镀膜操作过程中所述第一惰性气体的流量的范围为30％～70％。

可选地，所述第二镀膜操作过程中所述第一反应腔的压强超过所述第一镀膜操作过程中所述第一反应腔的压强的0～50％，所述第二镀膜操作过程中所述第二反应腔的压强超过所述第一镀膜操作过程中所述第二反应腔的压强的0～50％。

可选地，所述第二镀膜操作的持续时间范围为2～30s。

可选地，在将所述第一晶圆置入所述第一反应腔中，以及将所述第二晶圆置入所述第二反应腔中之前，所述方法还包括：

向第一反应腔和第二反应腔通入第二工艺气体和第二惰性气体，并对所述第一反应腔和所述第二反应腔中的气体进行射频处理，以在所述第一反应腔和所述第二反应腔中形成环境膜。

可选地，在所述第一反应腔和所述第二反应腔中形成环境膜之后，在将所述第一晶圆置入所述第一反应腔中，以及将所述第二晶圆置入所述第二反应腔中之前，所述方法还包括：

向所述第一反应腔和所述第二反应腔通入第二惰性气体，并对所述第一反应腔和所述第二反应腔中的气体进行射频处理，以对所述第一反应腔和所述第二反应腔进行清洗。

可选地，所述第一工艺气体为烃类化合物，所述第一晶圆和所述第二晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷薄膜。

可选地，所述第一工艺气体通过第一工艺气体进气通道通入所述第一反应腔，通过第二工艺气体进气通道通入所述第二反应腔，所述第一工艺气体进气通道和所述第二工艺气体的进气通道具有一致的结构和尺寸；所述第一惰性气体通过第一清洗气体进气通道通入所述第一反应腔，通过第二清洗气体进气通道通入所述第二反应腔，所述第一清洗气体进气通道和所述第二清洗气体进气通道具有一致的结构和尺寸。

可选地，所述第一工艺气体进气通道和所述第二工艺气体进气通道分别与工艺气体进气管路连通，所述第一清洗气体进气通道和所述第二清洗气体进气通道的进气口分别与远程等离子体发生器连通。

本申请实施例提供了一种薄膜制备方法，将第一晶圆和第二晶圆分别置入第一反应腔和第二反应腔，向第一反应腔和第二反应腔通入第一工艺气体和第一惰性气体，对第一反应腔和第二反应腔中的气体进行射频处理，在第一晶圆和第二晶圆表面进行第一镀膜操作，第一镀膜操作完成后，停止向第一反应腔和第二反应腔通入第一工艺气体，在第一晶圆和第二晶圆表面进行第二镀膜操作。因此，基于该方法，第一镀膜操作过程中，第一工艺气体浓度较小的腔体内的沉积速率较大，第二镀膜操作中可以使双腔中剩余的第一工艺气体反应完全，其中第一工艺气体浓度较大的腔体内的沉积速率较大，因此第二镀膜操作过程改善了第一镀膜操作过程中存在的双腔内不同的晶圆之间的薄膜厚度差异，经过第一镀膜操作和第二镀膜操作，第一晶圆表面薄膜的厚度和第二晶圆表面薄膜的厚度差异量较小，第一晶圆表面薄膜的非均匀度和第二晶圆表面薄膜的非均匀度较小。因此，相较于现有技术，本申请提供的方法改善了采用双腔式等离子体镀膜装置同时在多个晶圆表面沉积的薄膜间的厚度差异性和薄膜内的均匀性，提高了批量制备的薄膜的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的一种薄膜制备的方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种双腔式等离子体镀膜装置示意图；

图3为申请实施例中经过第二镀膜操作的双腔中的晶圆上膜层厚度的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种晶圆表面薄膜内部的非均匀度的示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种薄膜厚度的示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种晶圆表面薄膜内部的非均匀度的示意图；

图7为本申请实施例提供的另一种薄膜制备的方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本申请结合示意图进行详细描述，在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请惰性的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

目前，利用双腔等离子体处理装置进行薄膜制备的方法中，可以同时向两个腔体内通入工艺气体和第一惰性气体，同时控制射频功率产生等离子体，以同时进行两个腔体中的薄膜制备。然而，发明人经过研究发现，在薄膜制备过程中，存在工艺气体在双腔分配不均衡的问题，从而使不同反应腔内晶圆表面薄膜沉积速率不同，因此，在相同沉积时间条件下，双腔内沉积出的薄膜厚度存在较大差异。双腔中的薄膜间的厚度差异会影响批量制备的薄膜的质量。

基于以上技术问题，本申请实施例提供了一种薄膜制备方法，将第一晶圆和第二晶圆分别置入第一反应腔和第二反应腔，向第一反应腔和第二反应腔通入第一工艺气体和第一惰性气体，对第一反应腔和第二反应腔中的气体进行射频处理，在第一晶圆和第二晶圆表面进行第一镀膜操作，第一镀膜操作完成后，停止向第一反应腔和第二反应腔通入第一工艺气体，在第一晶圆和第二晶圆表面进行第二镀膜操作。因此，基于该方法，第一镀膜操作过程中，第一工艺气体浓度较小的腔体内的沉积速率较大，第二镀膜操作中可以使双腔中剩余的第一工艺气体反应完全，其中第一工艺气体浓度较大的腔体内的沉积速率较大，因此第二镀膜操作过程改善了第一镀膜操作过程中存在的双腔内不同的晶圆之间的薄膜厚度差异，经过第一镀膜操作和第二镀膜操作，第一晶圆表面薄膜的厚度和第二晶圆表面薄膜的厚度差异量较小，第一晶圆表面薄膜的非均匀度和第二晶圆表面薄膜的非均匀度较小。因此，相较于现有技术，本申请提供的方法改善了采用双腔式等离子体镀膜装置同时在多个晶圆表面沉积的薄膜间的厚度差异性和薄膜内的均匀性，提高了批量制备的薄膜的质量。

为了更好的理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。

参考图1所示，为本申请实施例提供的一种薄膜制备的方法的流程示意图，其中，该方法可以包括：

S101：向第一反应腔和第二反应腔通入第一工艺气体和第一惰性气体，第一反应腔中放置有第一晶圆，第二反应腔中放置有第二晶圆。

本申请实施例中采用的镀膜装置为双腔式等离子体镀膜装置，为了进行区分，以下将装置中的双腔称为第一反应腔和第二反应腔，如图2所示，为本申请实施例提供的一种双腔式等离子体镀膜装置。

其中，清洗气体进气通道1的进气口与远程等离子发生器2的出气口连通，清洗气体进气通道1的出气口为两个且分别与第一反应腔3和第二反应腔4的进气口连通，因此构成由远程等离子体发生器2至第一反应腔3的第一清洗气体进气通道，以及由远程等离子体发生器2至第二反应腔4的第二清洗气体进气通道，这样，第一惰性气体可以通过第一清洗气体进气通道通入第一反应腔3，通过第二清洗气体进气通道通入第二反应腔4，为了均衡第一反应腔3和第二反应腔4之间的第一惰性气体的流量，可以令第一清洗气体进气通道和第二清洗气体进气通道具有一致的结构和尺寸，举例来说，清洗气体进气通道1的进气口距离第一反应腔3的进气口和第二反应腔4的进气口的距离相同。

其中，工艺气体进气通道5与工艺气体进气管路连通，工艺气体进气通道5的出气口为两个且分别与第一反应腔3和第二反应腔4的进气口连通，因此构成由工艺气体进气管路至第一反应腔3的第一工艺气体进气通道，以及由工艺气体进气管路至第二反应腔4的第二工艺气体进气通道，这样，第一工艺气体可以通过第一工艺气体进气通道通入第一反应腔3，通过第二工艺气体进气通道通入第二反应腔4，为了均衡第一反应腔3和第二反应腔4之间的第一工艺气体的流量，可以令第一工艺气体进气通道和第二工艺气体的进气通道具有一致的结构和尺寸，举例来说，工艺气体进气通道5的出气口距离第一反应腔3的进气口和第二反应腔4的进气口的距离相同。

为了在第一晶圆和第二晶圆上形成薄膜，可以将第一晶圆和第二晶圆分别置于第一反应腔和第二反应腔中，之后可以对第一反应腔和第二反应腔抽真空，使第一反应腔和第二反应腔中的真空度满足要求，从而第一晶圆和第二晶圆表面的薄膜沉积提供低压环境。具体的，第一反应腔和第二反应腔中的气压范围可以为1～6Torr。

之后，可以向第一反应腔和第二反应腔通入满足工艺需求参数的第一工艺气体和第一惰性气体，第一工艺气体可以为待沉积薄膜化学成分的源气体，本申请实施例中为了在第一晶圆和第二晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷薄膜，第一工艺气体可以为烃类化合物气体，具体可以为C

S102：对第一反应腔和第二反应腔中的气体进行射频处理，以在第一晶圆和第二晶圆表面进行第一镀膜操作。

在向第一反应腔和第二反应腔通入第一工艺气体和第一惰性气体后，可以开启射频电源，设置满足工艺需求参数的射频频率和功率，从而在第一反应腔和第二反应腔内完成对在第一晶圆和第二晶圆的第一镀膜操作，举例来说，射频频率可以设置为13.56～27MHz等，射频功率可以设置为1500～2000W。具体的，远程等离子体发生器2内会产生自由电子，电子从电场中获得能量，当带有能量的电子和第一工艺气体分子碰撞后，第一工艺气体就会分解，并且离子化，这些充满能量的等离子体扩散并吸附到晶圆表面上，重新排列，形成新的键结，从而在第一反应腔和第二反应腔内完成镀膜。

S103：停止向第一反应腔和第二反应腔通入第一工艺气体，以在第一晶圆和第二晶圆表面进行第二镀膜操作。

在第一镀膜操作过程中，是膜层在第一晶圆和第二晶圆上生长的重要过程，然而，该过程中存在第一工艺气体在第一反应腔和第二反应腔内分配不均衡的问题，导致第一反应腔内的第一晶圆和第二反应腔内的第二晶圆表面成膜速率不同，因此，容易出现在第一镀膜操作完成后，第一晶圆表面薄膜的厚度和第二晶圆表面薄膜的厚度存在差异的问题。其原因在于，较高的第一工艺气体浓度会对气体离化过程起阻碍作用，第一反应腔和第二反应腔内第一工艺气体浓度较大的反应腔内晶圆表面成膜速率低于第一工艺气体浓度较小的反应腔。

本申请实施例中，在第一镀膜操作完成后，可以停止向两个反应腔内通入第一工艺气体，而继续通入第一惰性气体，对第一反应腔和第二反应腔中的气体进行射频处理，以产生等离子体，从而在第一晶圆和第二晶圆表面进行第二镀膜操作，以改善第一镀膜操作中出现的晶圆间厚度差异较大的问题。

在第一镀膜操作完成后，由于两个反应腔中的第一工艺气体的浓度不同，导致第一晶圆表面薄膜的厚度和第二晶圆表面薄膜的厚度存在差异，两个反应腔体内包含少量残余的第一工艺气体，在第二镀膜操作过程中，残余的第一工艺气体会继续参与反应，在晶圆表面沉积形成薄膜，使薄膜厚度在经过第一镀膜操作后继续增加。在第二镀膜操作过程中，两个反应腔内残余第一工艺气体浓度较高的一个反应腔内晶圆的表面薄膜厚度增加量更大。因此，经过第二镀膜操作后，第一晶圆表面薄膜的厚度和第二晶圆表面薄膜的厚度的差异量减小。

其中，在两个反应腔中，第二镀膜操作过程中第一惰性气体的流量可以大于第一镀膜操作过程中第一惰性气体的流量，例如，第二镀膜操作过程中第一惰性气体的流量超过第一镀膜操作过程中第一惰性气体的流量的范围为30％～70％。第二镀膜操作过程两个反应腔的压强可以超过第一镀膜操作过程中各自反应腔内的压强，例如，第二镀膜操作过程两个反应腔的压强超过第一镀膜操作过程中各自反应腔内的压强0％～50％。射频频率可以设定成13.56MHz，功率可以设定为200～800W。

参考图3所示，为申请实施例中经过第二镀膜操作的双腔中的晶圆上膜层厚度的示意图，图中横坐标为第二镀膜操作的进行时间，即处理时间(Treat Time)，单位为秒(s)，纵坐标为标准化的膜层厚度(Normalized Thickness)，单位为埃(A)，图中Side A和Side B分别代表不同反应腔中的第一晶圆和第二晶圆。

通常来说，等离子体沉积工艺中，等离子体在电场的作用下向晶圆的方向移动，最后附着在晶圆表面，实现薄膜的沉积，同时，等离子体具有较大的速度，因此会对晶圆表面已有的膜层产生轰击，即刻蚀作用，在沉积工艺中，沉积速率远大于刻蚀速率，沉积作用占据主导作用，因此，晶圆上薄膜厚度在不断增加。

而在本申请实施例中在第二镀膜操作过程中，由于残余的第一工艺气体量不大，因此沉积速率受到第一工艺气体含量的限制，参考图3中虚线左侧的晶圆厚度变化；随着第二镀膜操作过程的进行，当残余的第一工艺气体被消耗到一定量后，沉积速率变得小于第一惰性气体对表面薄膜的刻蚀速率，此时进入第一惰性气体刻蚀作用主导的过程，参考图3中虚线右侧的晶圆厚度变化，反应腔内薄膜厚度开始减小。因此，在第二镀膜操作过程中，反应腔内晶圆表面薄膜的厚度先增大后减小，薄膜厚度增大的过程是由残余的第一工艺气体的沉积作用主导，薄膜厚度减小的过程是由第一惰性气体的刻蚀作用主导，刻蚀作用主导的阶段内，对于两个腔体内晶圆表面厚度薄膜的差异影响不大，因此可以通过控制第二镀膜操作时间来使第二镀膜操作过程停止在残余的第一工艺气体被消耗到一定量时，即停止在刻蚀作用主导的阶段开始时，这样可以避免沉积的薄膜被刻蚀去除而减薄，同时又能够保证较好的晶圆间厚度差异。作为一种示例，第二镀膜操作的持续时间可以为2～30s。

此外，参考图4所示，为本申请实施例提供的一种晶圆内部的非均匀度的示意图，其中横坐标为处理时间(Treat Time)，单位为s，纵坐标为晶圆的标准化的厚度非均匀度(Normalized Non Uniformity，Normalized NU)，单位为％，在第二镀膜操作过程的初始阶段，即沉积作用主导的阶段，第一晶圆表面薄膜的非均匀度和第二晶圆表面薄膜的非均匀度均减小，也就是说，在该阶段，残余的第一工艺气体的继续沉积形成薄膜，减小了晶圆内不同位置的薄膜的差异，改善了晶圆内薄膜的均匀性，提高了薄膜质量。

而在第一惰性气体刻蚀作用主导的过程中，第一晶圆表面薄膜的非均匀度和第二晶圆表面薄膜的非均匀度开始均增大，因此，从另一个角度说明，在第二镀膜操作过程中，需要选取恰当的时间点终止第二镀膜操作，避免出现薄膜非均匀度增大的情况。

在第二镀膜操作过程中，设置不同的射频功率对减小第一晶圆表面薄膜的厚度和第二晶圆表面薄膜的厚度差异量的影响效果不同，如图5所示，为本申请实施例中另一种薄膜厚度示意图，其横坐标为第二镀膜操作中的处理功率(Treat Power)，即射频功率，单位为W，纵坐标为标准化的膜层厚度，单位为A，其中，随着功率的提高，第一晶圆表面薄膜的厚度和第二晶圆表面薄膜的厚度差异量逐渐减小，由此可见，大功率对改善两薄膜间厚度差异量的效果更明显。

此外，不同的射频功率对改善第一晶圆和第二晶圆的晶圆内厚度非均匀性的影响效果也不同，如图6所示，为本申请实施例中一种晶圆中薄膜均匀性的示意图，其横坐标为第二镀膜操作中的处理功率，单位为W，纵坐标为标准化的厚度非均匀性，单位为％。

以上为本申请实施例提供的薄膜制备方法的一种具体实现方式。在该具体实现方式中，将第一晶圆和第二晶圆分别置入第一反应腔和第二反应腔，向第一反应腔和第二反应腔通入第一工艺气体和第一惰性气体，对第一反应腔和第二反应腔中的气体进行射频处理，在第一晶圆和第二晶圆表面进行第一镀膜操作，第一镀膜操作完成后，停止向第一反应腔和第二反应腔通入第一工艺气体，在第一晶圆和第二晶圆表面进行第二镀膜操作。因此，基于该方法，第一镀膜操作过程中，第一工艺气体浓度较小的腔体内的沉积速率较大，第二镀膜操作中可以使双腔中剩余的第一工艺气体反应完全，其中第一工艺气体浓度较大的腔体内的沉积速率较大，因此第二镀膜操作过程改善了第一镀膜操作过程中存在的双腔内不同的晶圆之间的薄膜厚度差异，经过第一镀膜操作和第二镀膜操作，第一晶圆表面薄膜的厚度和第二晶圆表面薄膜的厚度差异量较小，第一晶圆表面薄膜的非均匀度和第二晶圆表面薄膜的非均匀度较小。因此，相较于现有技术，本申请提供的方法改善了采用双腔式等离子体镀膜装置同时在多个晶圆表面沉积的薄膜间的厚度差异性和薄膜内的均匀性，提高了批量制备的薄膜的质量。

在前述实施例的基础上，还可增加对两个反应腔进行预处理，以在腔体中形成环境膜，减少腔体中的杂质。

参考图7所示，为本申请实施例提供的另一种薄膜制备的方法的流程示意图，其中，该方法中，可以在将第一晶圆置入第一反应腔中，以及将第二晶圆置入第二反应腔中之前，进行两个反应腔的预处理，则在前述实施例S101前进一步包括：

S201：向第一反应腔和第二反应腔通入第二工艺气体和第二惰性气体，并对第一反应腔和第二反应腔中的气体进行射频处理，以在第一反应腔和第二反应腔中形成环境膜。

在将第一晶圆置入第一反应腔中，以及将第二晶圆置入第二反应腔中之前，可以对第一反应腔和第二反应腔进行预处理，具体的，可以先对第一反应腔和第二反应腔抽真空，在真空度满足要求后，向第一反应腔和第二反应腔内通入第二工艺气体和第二惰性气体，这里的第二工艺气体可以和后续沉积工艺中的第一工艺气体一致，这里的第二惰性气体可以和后续沉积工艺中的第一惰性气体一致，以在第一反应腔和第二反应腔中形成于晶圆上沉积得到的薄膜材料一致的环境膜。

在晶圆上沉积的薄膜为含碳的无定形陶瓷薄膜时，第二工艺气体可以为C

S202：向第一反应腔和第二反应腔通入第二惰性气体，并对第一反应腔和第二反应腔中的气体进行射频处理，以对第一反应腔和第二反应腔进行清洗。

在第一反应腔和第二反应腔中形成环境膜之后，在将第一晶圆置入第一反应腔中，以及将第二晶圆置入第二反应腔中之前，还可以向第一反应腔和第二反应腔通入第二惰性气体，并对第一反应腔和第二反应腔中的气体进行射频处理，以对第一反应腔和第二反应腔进行清洗，避免形成环境膜时的第二工艺气体对后续沉积工艺造成影响。

以上为本申请实施例提供的薄膜制备方法的另一种具体实现方式，在该具体实现方式中，在将第一晶圆和第二晶圆分别置入第一反应腔和第二反应腔之前，还可以在将第一晶圆和第二晶圆分别置入第一反应腔和第二反应腔之前，通过向第一反应腔和第二反应腔通入第二工艺气体和第二惰性气体，并对第一反应腔和第二反应腔中的气体进行射频处理，可以在第一反应腔和第二反应腔中形成环境膜，再增加第二惰性气体流量，对第一反应腔和第二反应腔进行清洗。因此，基于该方法，第一晶圆表面薄膜的非均匀度和第二晶圆表面薄膜的非均匀度较小，另外，镀膜前在第一反应腔和第二反应腔中形成环境膜，可以在晶圆上沉积薄膜时，避免等离子体对腔体内部的部件造成刻蚀作用，其粒子附着于晶圆表面的问题，防止薄膜中形成有杂质。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，虽然本申请已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。